СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОСТИ НА ОТДЕЛЬНОМ УЧАСТКЕ СЕТИ ПОДАЧИ ЖИДКОСТИ Российский патент 2019 года по МПК G01M3/28 G01F1/66 

Настоящее изобретение относится к способам измерения расхода жидкости на отдельном участке сети подачи жидкости.

Трубопроводные сети обеспечивают наиболее экономичный и безопасный способ транспортировки жидкостей, таких как вода, нефть, бензин и другие жидкие продукты. Для того чтобы использовать их в качестве средства транспортировки на большие расстояния, трубопроводы должны отвечать высоким требованиям безопасности, надежности и эффективности. При надлежащем обслуживании трубопроводы не будут иметь утечек, независимо от протяженности. Утечки в трубопроводной сети могут быть вызваны различными причинами: повреждением при землеройных работах, коррозией труб, несчастными случаями, смещением пластов земли и т.д.

Система соединенных друг с другом труб, которые содержат жидкость под давлением (воду, нефть, бензин или другие жидкие продукты), называется гидравлической сетью. При мониторинге таких сетей часто возникает задача обнаружения и локализации утечек. При выявлении утечек в сети крайне важно устранить неисправность в кратчайшие сроки. Своевременные средства для локализации проблем позволяют снизить затраты на ремонт и возможные потери жидкости в сети. Последствия утечки могут быть крайне разрушительными.

Любая сеть подачи жидкости, включая систему водоснабжения, обычно состоит из:

источников жидкости или емкостей для ее хранения, таких как резервуары, цистерны т.д.;

компонентов для создания давления, таких как насосные станции, насосы и т.д.;

трубопроводной сети для доставки жидкости потребителям.

Далее сеть подачи жидкости рассматривается на примере сети водоснабжения.

Система водоснабжения или водопроводная сеть также относится к гидравлическим сетям, которые обеспечивают водоснабжение потребителей различных типов.

Вода в сети подачи находится под положительным давлением, которое обеспечивает ее перетекание во все фрагменты сети и достаточный напор в каждой точке забора, то есть у каждого потребителя. Кроме того, давление гарантирует, что необработанная вода из почвы не сможет попасть в сеть. Повышение давления воды, как правило, осуществляется при помощи нагнетательных компонентов.

В водопроводной сети используются различные типы труб. В целом, их можно разделить на две категории в зависимости от назначения:

магистральные или транспортные трубы. Чаще всего это длинные трубы большого диаметра (например, 300-700 мм), расположенные под землей. Иногда они могут иметь гигантские диаметры более 3 м, транспортируя находящуюся под давлением воду из водохранилищ в город или городской район.

распределительные трубы. Это трубы небольшого диаметра (например, 80-300 мм), используемые для подачи воды из магистральных труб к потребителям, которыми могут быть целые частные дома, отдельные квартиры либо промышленные, коммерческие или государственные учреждения, а также другие точки использования, такие как пожарные гидранты.

Топология сети водоснабжения хорошо известна обслуживающим ее коммунальным предприятиям. Это означает, что им также хорошо известны другие характеристики сети: структура и схема расположения труб, диаметр, длина труб, расположение датчиков разных типов и т.д.

В XXI веке вода стала одним из самых важных товаров. Однако иногда в водопроводных сетях случаются значительные ее потери.

Термин «потери воды» обычно используется для обозначения разницы между общим количеством воды на входе сети и суммой объемов воды, зарегистрированных счетчиками-расходомерами, установленными в узлах потребления.

Такие потери воды можно разделить на две группы:

прямые потери, например, неучтенные объемы воды, использованной для общественных функций, таких как полив улиц и городских районов, орошение зеленых насаждений, работа общественных фонтанов, нужды службы пожаротушения, куда входят фактически потребленные, но не учтенные объемы воды, и

реальные потери, вызванные поломкой трубопровода или ухудшением качества соединения труб/гидравлических устройств. Реальные потери - это физические потери воды из системы водоснабжения, также называемые «утечкой воды».

Такие потери увеличивают нагрузку на сеть водоснабжения и затраты на управление водохозяйственными предприятиями, поскольку они представляют собой воду, которая добывается и обрабатывается, но так и не доходит до потребителей.

Во многих случаях незначительные утечки воды, возникающие из-за неэффективного гидравлического уплотнения стыков или небольших трещин в трубах, могут оставаться незамеченными в течение длительного времени (иногда в течение месяцев или даже лет). Крупные утечки, связанные со значительными повреждениями труб, легко обнаружить, поскольку они обычно сопровождаются растекающимися по земле лужами или затоплением объектов недвижимости потребителей.

Во всем мире для уменьшения утечек из системы водоснабжения используется проверенный метод - проактивное обнаружение до того, как следы утечки появятся на поверхности. Он может быть реализован путем мониторинга сети и имеет преимущества, связанные с сокращением сроков устранения утечек и потерь воды.

В соответствии с международными и национальными стандартами наилучший метод мониторинга сети водоснабжения заключается в делении ее на районные расходомерные зоны (РРЗ). Районная расходомерная зона - это область в сети водоснабжения со строго определенными границами и контролируемым входным потоком на такой отдельный участок. Впервые этот метод был представлен в начале 90-х годов.

Районная расходомерная зона представляет собой область водопроводной сети, в которой измеряются количества поступающей и покидающей зону воды.

Традиционный подход к делению водопроводной сети на участки и районные расходомерные зоны предполагает попытку сформировать области таким образом, чтобы в каждой из них имелась только одна приточная или магистральная труба, мониторинг которой легко осуществить с использованием единственного счетчика-расходомера.

На ФИГ. 1 показана сеть подачи воды 1 на известном уровне техники с источником воды (не показана на ФИГ. 1), насосной станцией 3, магистральными трубопроводами 4 и распределительными трубами 5. Сеть 1 включает районную расходомерную зону 2. Клапаны 6 и счетчики-расходомеры 7 расположены на границах 8 между районной расходомерной зоной 2 и дополнительными участками 9 питающей сети 1. Магистральные трубы 4 пересекают границу 8, обеспечивая подачу воды потребителям 10 в районной расходомерной зоне 2. Распределительные трубы 5 используются для соединения потребителей 10 с магистральными трубами 4 в районной расходомерной зоне 2. Все магистральные трубы 4 в районной расходомерной зоне 2 оснащены счетчиками-расходомерами 7 для измерения совокупного притока и отвода воды в районную расходомерную зону 2 и из нее и/или клапанами 6, позволяющими перекрыть магистральные трубы 4. Благодаря установке счетчиков-расходомеров 7 и клапанов 6 во всех магистральных трубах 4, которые пересекают границу 8 районной расходомерной зоны 2, можно измерить весь приток и/или отток воды в районной расходомерной зоне 2 и из нее. Далее эта информация может быть использована для обнаружения утечки, расчета баланса воды в районной расходомерной зоне 2 и т.д.

Однако подход с использованием районных расходомерных зон на известном уровне техники имеет свои недостатки. Во-первых, деление водопроводной сети на более мелкие области сопряжено с затратами на обследования участка, усложнение конструкции, установку счетчиков-расходомеров и камер и т.д. Такие расходы могут оказаться довольно значительными, особенно при делении сети на небольшие участки (например, менее 1000 потребителей). Поскольку диаметр магистральных труб очень большой (обычно он превышает 300 мм), совместимые с ними счетчики-расходомеры и клапаны также являются большими и, следовательно, дорогими.

Кроме того, для создания районных расходомерных зон традиционными способами требуется «постоянное» перекрытие многих пограничных клапанов. А из-за механизмов распределения в области и характеристик сети (таких как топография и низкое давление в системе) некоторые гидравлические сети вообще трудно разделить на районные расходомерные зоны с одним входом без ущерба для потребителей.

Ключом к правильной работе с районными расходомерными зонами является точное измерение и анализ расхода на входе и выходе районной расходомерной зоны, а также объемов, потребляемых конечными пользователями, то есть потребителями. Количество воды, достигшее потребителей внутри районной расходомерной зоны, может быть легко рассчитано, поскольку в большинстве случаев у них имеются счетчики воды. Однако измерение расхода на входе и выходе районной расходомерной зоны - это непростая задача.

В общем случае, существующие способы измерения расхода жидкости на входе и выходе отдельных участков (например, в районной расходомерной зоны) сети питания требуют очень сложных и дорогостоящих счетчиков-расходомеров, установка которых является сложной, затратной и трудоемкой.

В свете вышеизложенного становится очевидно, что существует большая потребность в простом и удобном методе измерения расхода жидкости на отдельных участках, особенно для районных расходомерных зон в сети подачи жидкости.

Задача решается с помощью способа измерения расхода жидкости на отдельном участке сети подачи жидкости, описанного в пункте 1 формулы изобретения, и системы измерения расхода жидкости на отдельном участке сети подачи жидкости, описанной в пункте 7 формулы изобретения.

Следовательно, настоящее изобретение предлагает способ измерения расхода жидкости на отдельном участке сети подачи жидкости, где последняя представляет собой сеть из труб для подачи жидкости потребителям. Трубопроводная сеть включает в себя:

по меньшей мере, одну магистральную трубу для транспортировки жидкости от источника в сеть подачи, причем магистральная труба пересекает границу между отдельным участком и остальной областью сети, расположенной за пределами отдельного участка, а также

множество распределительных труб, причем каждая из них предназначена для транспортировки жидкости из магистральной трубы к потребителю, подключенному к распределительной трубе.

Места соединения, по меньшей мере, двух труб (магистральных и/или распределительных), представляют собой узлы. Таким образом, два расположенных на одной (предпочтительно магистральной) трубе узла находятся по разные стороны границы отдельного участка и являются граничными узлами. Других узлов между граничными узлами нет.

На распределительных трубах находятся несколько ключевых точек измерения. Каждая из них включает датчик давления и расходомер. В такой конфигурации каждый датчик давления может измерять давление жидкости (P₁, Р₂) в распределительной трубе (5, 13), где он установлен. А каждый расходомер рассчитан на измерение расхода жидкости (q₁, q₂) потребителями, которые гидравлически соединены с распределительной трубой.

В соответствии с предлагаемым способом, на этапах а) и b) измеряются давление жидкости (P_l, Р₂) и ее расход (q₁, q₂), по меньшей мере, в двух выбранных ключевых точках измерения, которые расположены в пределах и за пределами отдельного участка. При измерении давления (P₁, Р₂) и расхода (q₁, q₂) в этих контрольных точках расход жидкости в магистральной трубе (Q_i), которая пересекает границу отдельного участка, вычисляется на этапе с) данного метода.

Тот же метод следует использовать для расчета расхода жидкости (Q_i) в каждой последующей трубе, которая пересекает границу отдельного участка. После этого путем суммирования величин расхода (Q_i) отдельных магистральных труб вычисляется общий расход жидкости на входе и выходе отдельного участка.

Кроме того, настоящее изобретение предлагает систему измерения расхода жидкости на отдельном участке сети подачи жидкости. В соответствии с настоящим изобретением, система содержит множество ключевых измерительных точек, расположенных на распределительных трубах и оборудованных датчиком давления и расходомером. Дополнительно, по меньшей мере, одна ключевая точка измерения расположена в пределах отдельного участка, и, по меньшей мере, одна ключевая точка измерения расположена на последующем участке, который находится за пределами отдельного участка. Ключевые контрольные точки обеспечивают измерение

давления жидкости (P₁, Р₂) в распределительных трубах при помощи датчиков давления, установленных на данных распределительных трубах, и

расхода жидкости (q₁, q₂) потребителями, гидравлически соединенными с распределительной трубой, на которой установлен расходомер.

Кроме того, система содержит блок управления, который настроен на расчет расхода жидкости (Q_i) с использованием измеренных величин давления (P₁, Р₂) и расхода жидкости (q₁, q₂) в контрольных точках (14, 15) в соответствии со способом по любому из пунктов 1-6 формулы изобретения.

В результате создается сеть подачи жидкости с системой измерения расхода на отдельном участке данной сети.

Настоящее изобретение основано на предположении, что приток и отток жидкости для отдельного участка можно измерить с помощью датчиков давления и расходомеров, установленных на распределительных трубах, которые гидравлически соединяют потребителей с магистральными трубами. Это является альтернативой традиционному подходу предшествующего уровня техники, основанному на измерении притока и оттока с помощью счетчиков-расходомеров, установленных непосредственно на магистральных трубах.

Как было сказано выше, распределительные трубы, предназначенные для передачи жидкости под давлением из магистральной трубы потребителям, имеют небольшой диаметр (например, менее 300 мм). Датчики давления для таких труб стоят дешевле по сравнению со счетчиками-расходомерами. Кроме того, процесс установки указанных датчиков давления на трубы не требует отключения подачи жидкости потребителям всего отдельного участка.

Потребители, которые запитаны через распределительные трубы, могут представлять собой частные дома, отдельные квартиры, промышленные, коммерческие или государственные учреждения, а также другие пункты использования, такие как пожарные гидранты. Распределительные трубы могут подавать жидкость одному потребителю или конгломерату потребителей.

В большинстве случаев предполагается, что расход жидкости потребителями на каждой распределительной трубе известен, поскольку существуют определенные законом требования по установке счетчиков воды (другими словами, индивидуальных счетчиков-расходомеров) для измерения индивидуального потребления и расчета оплаты за использованную жидкость - в случае сети водоснабжения, для оплаты потребленной воды. Коммунальные службы отслеживают показания счетчиков, установленных на узлах потребителей, а также выполняют их обслуживание и замену, чтобы эти показания были надежными и точными. Поэтому расход воды на нужды потребителей хорошо известен.

После того как давление жидкости на двух распределительных трубах, расположенных по разные стороны границы отдельного участка, будет измерено датчиками давления, при известном расходе жидкости на нужды потребителей на обеих распределительных трубах можно рассчитать величину расхода в магистральной трубе, которая пересекает границу отдельного участка.

Данный подход можно легко распространить на большее количество распределительных труб (более двух).

Таким образом, в рамках настоящего изобретения предлагается внедрить новый способ и систему измерения расхода жидкости на отдельном участке сети подачи жидкости.

Другие варианты реализации настоящего изобретения рассмотрены в дальнейших подпунктах и приведенном ниже описании со ссылкой на чертежи.

В одном из возможных вариантов осуществления способа на этапе с) расход жидкости (Q_i) рассчитывается по следующей формуле:

где

- расход жидкости в магистральной трубе, которая пересекает границу отдельного участка (то есть между двумя граничными узлами);

ΔР^Р - это перепад давления между граничными узлами;

R - эквивалентное гидравлическое сопротивление магистральной трубы, которая пересекает границу отдельного участка;

R₁, R₂ - эквивалентные гидравлические сопротивления распределительных труб, на которых расположены рассматриваемые ключевые точки измерения;

P₁, Р₂ - давление жидкости в распределительных трубах, измеренное датчиками, установленными в выбранной ключевой точке измерения;

q₁, q₂ - расход жидкости в выбранных ключевых точках измерения, определенный с помощью расходомеров;

γ - экспоненциальный параметр расхода, который зависит от режима протекания (например, ламинарный, турбулентный и т.д.) текучей среды внутри трубы и используемого гидравлического подхода. Например, в формуле Дарси-Вейсбаха γ=2. Формула Дарси-Вейсбаха используется для сетей водоснабжения и турбулентного режима течения.

Эквивалентные гидравлические сопротивления R, R₁, R₂ труб (магистральных и распределительных) могут быть рассчитаны на основании характеристик трубопровода, таких как расстояние между узлами, шероховатость материала трубы, внутренний диаметр трубы и т.д., которые, как правило, известны специалистам.

Приведенная выше формула для расхода жидкости (Q_i) позволяет рассчитать величину расхода жидкости (Q_i) в магистральной трубе, пересекающей границу отдельного участка, без наличия дорогостоящего счетчика-расходомера, установленного в этой основной трубе.

В другом возможном варианте реализации предлагаемого способа определяются критерии выбора соответствующих ключевых точек измерения для контроля параметров на этапах а) и b).

На этапе а) давление (P_i) и расход жидкости (q₁) следует контролировать, по меньшей мере, в одной (первой) выбранной ключевой точке измерения, которая расположена в пределах отдельного участка. Кроме того, такая первая выбранная точка должна быть расположена на распределительных трубах, которые гидравлически соединены с граничным узлом, находящимся в пределах отдельного участка.

На этапе b) давление (P_i) и расход жидкости (q₁) следует контролировать, по меньшей мере, в одной (второй) выбранной ключевой точке измерения, которая расположена за пределами отдельного участка, то есть где-то на дальнейшем участке сети. Кроме того, такая выбранная точка должна быть расположена на распределительных трубах, которые гидравлически соединены с граничным узлом, находящимся в пределах отдельного участка.

Кроме того, для измерения на этапах а) и b) следует выбирать и использовать исключительно такие ключевые точки, которые расположены на соответствующей распределительной трубе так, чтобы ни одна последующая первая точка не была расположена между выбранной точкой и соответствующим граничным узлом в пределах или за пределами отдельного участка.

Указанные выше критерии выбора ключевых точек измерения позволяют добиться более точного и корректного расчета расхода жидкости на входе и выходе отдельного участка.

Расход жидкости через магистральную трубу, которая входит на отдельный участок или выходит из него, может быть определен с использованием хорошо известной системы уравнений Кирхгофа, применяемой в расчетах сети водоснабжения.

Для расчета давления жидкости в соединительном узле распределительной трубы, где находится соответствующая выбранная ключевая точка измерения, система уравнений должна включать выражения для каждой выбранной ключевой измерительной точки:

где Р_{узел i} - давление жидкости в соединительном узле i распределительной трубы, на которой находится соответствующая выбранная ключевая точка измерения;

P_i - давление жидкости в распределительной трубе, измеренное датчиком, установленным в выбранной ключевой точке измерения;

R_i - эквивалентное гидравлическое сопротивление распределительной трубы, на которой находятся выбранные ключевые точки измерения;

- расход жидкости в выбранных ключевых точках измерения, определенный расходомерами;

γ - описанный выше экспоненциальный параметр расхода.

Также для каждых двух узлов i и j, которые находятся рядом друг с другом в пределах участка, ограниченного выбранными ключевыми точками измерения, необходимо сформулировать уравнения транспортировки жидкости:

где

Q_i-j - расход жидкости в трубе между двумя узлами i и j;

P_i, P_j - давление жидкости в соответствующих узлах i и j;

R_i-j - эквивалентное гидравлическое сопротивление трубы между узлами i и j.

Кроме того, для каждого узла на магистральной трубе, расположенного между границей отдельного участка и соответствующей ключевой точкой измерения, необходимо вывести формулу в соответствии с правилом Кирхгофа. Данное правило требует, чтобы алгебраическая сумма величин расхода входящих и исходящих потоков жидкости в узле была равна нулю.

Такая система уравнений имеет решение, поскольку число неизвестных параметров равно числу составленных уравнений. Поэтому расход жидкости Q_i через магистральную трубу, которая пересекает границу отдельного участка (на входе или выходе), может быть получен из данной системы.

В возможном варианте осуществления предлагаемого способа выбранная ключевая точка измерения (с измерительными приборами) допускает расположение датчика давления и расходомера в разных местах распределительной трубы. При этом расходомер должен быть расположен ниже по потоку от датчика давления. Такая возможность обеспечивает дополнительную гибкость при монтаже оборудования в сети подачи жидкости.

В возможном варианте осуществления предлагаемого способа допускается ситуация, когда выбранная ключевая точка измерения оснащена множеством расходомеров, которые расположены ниже по потоку от датчика давления. В данном варианте на этапах а) и b) расход жидкости в соответствующей точке, используемый для дальнейших расчетов расхода, определяется как совокупное потребление жидкости, измеренное с помощью множества расходомеров.

Данная особенность позволяет использовать уже существующую систему расходомеров без дополнительных доработок либо дает возможность оптимизировать количество устанавливаемых расходомеров.

В возможном варианте осуществления способа измерения расхода жидкости на отдельном участке сети подачи жидкости рассматривается его применение к сети водоснабжения, где отдельный участок - это районная расходомерная зона (РРЗ).

Для более полного понимания сути настоящего изобретения и его преимуществ следует привести ссылку на следующее описание с сопроводительными чертежами. Ниже изобретение будет рассмотрено более подробно, с использование примеров осуществления, показанных в схематическом виде на чертежах, где:

На ФИГ. 1 показана блок-схема сети подачи жидкости с районной расходомерной зоной, выделенной традиционным способом (существующий уровень техники);

На ФИГ. 2 показана блок-схема части сети подачи жидкости с отдельным участком, выделенным в соответствии с настоящим изобретением;

На ФИГ. 3 показана блок-схема измерения расхода жидкости на отдельном участке сети подачи жидкости;

На ФИГ. 4 показана блок-схема части сети подачи жидкости с отдельным участком, выделенным в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

На ФИГ. 5 показана блок-схема части сети подачи жидкости с ключевой точкой измерения;

На ФИГ. 6 показана блок-схема части сети подачи жидкости с ключевой точкой измерения, снабженной множеством расходомеров.

На ФИГ. 7 показана блок-схема системы в соответствии с настоящим изобретением.

Различные варианты осуществления описаны со ссылками на чертежи. При этом повсюду для обозначения одинаковых элементов используются одинаковые ссылочные позиции. В приведенном ниже пояснительном описании подробно излагаются многочисленные конкретные детали, необходимые для полного понимания одного или нескольких вариантов осуществления. Очевидно, что такие варианты осуществления вполне можно реализовать без этих конкретных деталей.

Изобретение описывает систему 3 6 для измерения расхода жидкости на отдельном участке 2 сети подачи жидкости 1.

На ФИГ. 2 показана блок-схема части сети подачи жидкости 1 с выделенным отдельным участком 2, в соответствии с настоящим изобретением. Рисунок иллюстрирует базовые концепции настоящего изобретения.

Магистральная труба 4 сети подачи жидкости 1 пересекает границу 8 отдельного участка 2 сети 1. Здесь граница 8 разделяет отдельный участок 2 и дальнейший участок 9 сети подачи 1. Распределительные трубы 13 сети подачи 1 гидравлически соединяют магистральную трубу 4 с потребителями 18.

В отличие от системы предшествующего уровня техники, показанной на рис. 1, на магистральной трубе 4 нет счетчиков-расходомеров. Поэтому измерить расход через трубу 4 на входе и выходе отдельного участка 2 традиционными способами невозможно.

Однако существуют места соединения, по меньшей мере, двух труб - магистральной трубы 4 и/или распределительных труб 13 - формирующие узлы 11, 12, 26, 30. В тех случаях, когда два таких узла 11, 12 расположены на одной и той же магистральной трубе 4 с разных сторон границы 8 и между ними нет дополнительных узлов, такие узлы 11, 12 являются граничными.

Эти два граничных узла 11, 12 в данном конкретном случае представляют собой стыки труб в местах соединения магистральной трубы 4 с распределительными трубами 5, 13. Два граничных узла 11, 12 расположены на одной и той же магистральной трубе 4, но с разных сторон от границы 10 отдельного участка 2: граничный узел 12 расположен в пределах отдельного участка 2, а граничный узел 11 расположен за пределами отдельного участка 2, то есть на дальнейшем участке 9.

Ключевые точки измерения 14, 15 находятся между граничными узлами 11, 12 и потребителями 18 на каждой из распределительных труб 5, 13. Каждая из точек 14, 15 оборудована датчиком давления 16 и расходомером 17 потребления, где

каждый датчик давления 16 позволяет измерять давление жидкости P_i в распределительной трубе 5, 13, на которой он установлен;

каждый расходомер 17 позволяет измерять расход жидкости q_i через распределительную трубу 5, 13, на которой он установлен. При этом расход жидкости потребителем 18, гидравлически соединенным с магистральной трубой 4, равен расходу в распределительной трубе 5, 13.

На ФИГ. 3 показана блок-схема варианта осуществления способа измерения расхода жидкости на отдельном участке 2 сети подачи жидкости 1 в соответствии с настоящим изобретением.

На шаге 19 выполняется измерение давления P₁ и расхода q₁ жидкости, по меньшей мере, в одной (первой) выбранной ключевой точке измерения 14, которая находится в пределах отдельного участка 2.

На шаге 20 выполняется измерение давления Р₂ и расхода q₂ жидкости, по меньшей мере, на одной выбранной (второй) ключевой точке измерения, которая расположена за пределами отдельного участка 2, то есть на дальнейшем участке 9.

На шагах 19 и 20 расход жидкости q₁, q₂ в каждой ключевой точке 14, 15, представляющий собой расход q_i через распределительные трубы 5, 13, измеренный расходомером 17, считывается в течение заданного временного интервала. Временной интервал может составлять от 15 минут до 1 часа. Давление жидкости Р₁, Р₂ определяется как среднее значение давления в течение времени, когда производилось измерение расхода жидкости q₁, q₂. Чем меньше временной интервал измерения, тем более точно будет рассчитан расход жидкости Q_i.

В идеале измерения в разных ключевых точках 14, 15 на шагах 19 и 20 должны выполняться одновременно. Однако допускается и разница во времени между измерениями в разных ключевых точках 14, 15. Такая разница должна быть меньше, чем временные рамки измерения расхода жидкости q₁, q₂ в соответствующих контрольных точках 14, 15.

На шаге 21 рассчитывается расхчвод жидкости Q_i, пересекающий границу 8 по магистральной трубе 4, на основании измеренного давления Р₁, Р₂ и расхода q₁, q₂ жидкости в выбранных ключевых точках измерения 14, 15, которые расположены в пределах и за пределами отдельного участка 2.

Расход Q_i может быть получен из формул транспортировки жидкости:

где

- расход жидкости в магистральной трубе 4, которая пересекает границу 8 отдельного участка 2, то есть между двумя граничными узлами 11, 12;

ΔР^Р - перепад давления между граничными узлами 11, 12;

R - эквивалентное гидравлическое сопротивление магистральной трубы 4 между граничными узлами 11, 12;

R₁, R₂ - эквивалентные гидравлические сопротивления распределительных труб 17, 5, на которых находятся выбранные ключевые точки измерения 14, 15;

Р₁, P₂ - давление жидкости в соответствующей распределительной трубе 17, 5, измеренное датчиками давления 16, которые установлены в ключевых точках измерения 14, 15;

q₁, q₂ - расход жидкости в ключевых точках измерения 14, 15, определенный с помощью расходомеров 17;

γ - экспоненциальный параметр расхода.

Таким образом, при использовании данного подхода установка дорогостоящего счетчика-расходомера 7 на магистральной трубе 4 для измерения расхода жидкости Q_i больше не требуется.

Аналогичную методику следует использовать для расчета расхода жидкости Q_i в каждой дополнительной трубе, которая пересекает границу 8 отдельного участка 2. После этого нужно просуммировать величины расхода жидкости Q_i отдельных магистральных труб, получив общий расход на входе/выходе отдельного участка 2.

В расширенном варианте реализации предлагаемого способа заданы критерии выбора соответствующих ключевых точек измерения, что обеспечивает дополнительное повышение точности расчета расхода жидкости. На ФИГ. 4 показано, как могут быть применены эти критерии.

На ФИГ. 4 показана часть питающей сети 1. По меньшей мере, одна магистральная труба 4 пересекает границу 8 отдельного участка 2. Два пограничных узла 11, 12 расположены по разные стороны границы 8.

С одной стороны границы 8 в пределах отдельного участка 2 граничный узел 12 является соединением магистральной трубы 4 и распределительной трубы 13, на которой находится ключевая точка измерения 14. Также на отдельном участке 2 есть и другие узлы 30, которые гидравлически соединены с потребителями 18 посредством распределительных труб 13, на которых находятся ключевые точки измерения 31.

Однако на другой стороне границы 8, которая находится на дальнейшем участке 9 (за пределами отдельного участка 2), существует сложная структура труб с соединениями, которые образуют узлы 11, 22, 23, 24, 26, 27. Некоторые узлы 23, 24, 26, 27 являются соединениями магистральных труб 4, 37, 38, 39 с распределительными трубами 5, на которых находятся ключевые точки измерения 15, 28, 29. Другие узлы 11, 22 являются точками пересечения магистральных труб 4, 37, 38, 39 дальнейшего участка 9.

Каждая ключевая точка измерения 14, 31, 15, 28, 29 оснащена датчиком давления 16 (не показан на рис. 4) и расходомером 17 (не показан на рис. 4), предназначенными для измерения

давления жидкости Р₁ в распределительных трубах 5, на которых они установлены, и

расхода жидкости q_i потребителями 18, которые снабжаются жидкостью по распределительным трубам 5.

Чтобы обеспечить точный расчет величины расхода потоков жидкости Q_11-12, пересекающих границу 8 по магистральной трубе 4 между двумя граничными узлами 11, 12, необходимо на шаге 19 определить хотя бы одну первую ключевую точку измерения 14 на отдельном участке 2. Измерение давления P₁₄ и расхода q₁₄ жидкости следует производить в выбранной первой точке 14, которая находится в пределах отдельного участка 2. Для последующих измерений необходимо выбрать, по меньшей мере, одну ключевую точку измерения, удовлетворяющую требованию: она должна располагаться рядом с пограничным узлом в пределах отдельного участка 2. Во всех прочих работах в качестве первой ключевой точки измерения 14 должны выбираться исключительно такие, которые расположены на распределительном трубопроводе 13 таким образом, чтобы между выбранной точкой 14 и соответствующим граничным узлом 12 в пределах отдельного участка 2 не было ни одной другой ключевой точки измерения.

Другие ключевые точки измерения 31 на отдельном участке 2, расположенные на распределительных трубах 13, которые гидравлически соединены с граничным узлом 12, не удовлетворяют требованию соседства с граничным узлом 12. Соответственно, оставшиеся точки 31 следует исключить из расчета расхода жидкости Q, поскольку требование соседства с узлом 12 не выполняется. Учитывается то, что граничный узел 12 сам включает в себя распределительный трубопровод 13 с расположенной на нем ключевой точкой измерения 14.

Далее в рамках шага 2 0 на дальнейшем участке 9 должна быть выбрана, по меньшей мере, одна вторая ключевая точка измерения 15, необходимая для дальнейшего расчета расхода жидкости.

Для дальнейших измерений необходимо выбрать ключевые точки измерения 15, расположенные на дальнейшем участке 9. Все они расположены на распределительных трубах 5, которые гидравлически соединены с граничным узлом 11 на дальнейшем участке 9. Каждая выбранная вторая ключевая точка 15 является следующей по отношению к граничному узлу 11, то есть дополнительные ключевые точки измерения между выбранными вторыми точками 15 и граничным узлом 11 отсутствуют за пределами отдельного участка 2 (в пределах дальнейшего участка 9). Наконец, в качестве ключевых точек измерения 15 выбираются только те, которые расположены на распределительном трубопроводе 5 таким образом, чтобы между выбранной точкой 15 и граничным узлом 11 в пределах отдельного участка 2 не было ни одной дополнительной точки измерения.

С другой стороны, остальные ключевые точки измерения 29, 28 должны быть исключены из расчета, поскольку требование соседства с граничным узлом 11 не выполняется. Например, между граничным узлом 11 и точкой 29 существует еще один узел 24, с которым соединен распределительный трубопровод 5, имеющий одну из вторых выбранных ключевых точек измерения 15.

Ключевая точка измерения 32 не принимается во внимание, так как она расположена на распределительной трубе 40, которая не связана гидравлическим соединением с граничным узлом 11: эта точка 32 расположена на другой магистральной трубе 33, которая гидравлически соединена с граничным узлом 34.

Поэтому расход жидкости через магистральную трубу 33 можно рассчитать отдельно, следуя шагам 19-21.

После определения и выбора первой и второй ключевых точек измерения 14, 15, как было описано выше, можно продолжить расчет. Расход жидкости через магистральную трубу 4, которая пересекает границу 8 между граничными узлами 11, 12, на входе и выходе отдельного участка 2, может быть определен с помощью хорошо известной системы уравнений Кирхгофа, используемой для расчетов сети водоснабжения 1.

Система уравнений должна включать в себя выражения для каждой выбранной ключевой точки измерения 15, 14 для вычисления давления жидкости в соединительных узлах 12, 23, 24 к распределительной трубе 5, где находится выбранная ключевая точка измерения 14, 15, как это было описано выше.

Также для каждой пары узлов 23 и 22, 11 и 24, 11 и 23, 11 и 12, которые находятся рядом друг с другом, необходимо записать формулу транспортировки жидкости:

где

- расход жидкости через трубу между двумя узлами i и j;

P_i, P_j - давление жидкости в соответствующих узлах i и j;

- эквивалентное гидравлическое сопротивление трубы между соответствующими узлами i и j.

Кроме того, для каждого узла 22, 11, образованного соединением множества магистральных труб 4, 37, 38, 39 и расположенного между границей 8 и соответствующей ключевой точкой измерения 15, необходимо вывести формулу в соответствии с правилом Кирхгофа. Данное правило требует, чтобы алгебраическая сумма величин расхода входящих и исходящих потоков жидкости в узле 11, 22 была равна нулю.

Такая система уравнений имеет решение, так как число неизвестных параметров равно числу уравнений. Поэтому расход жидкости Q_11-12 через магистральную трубу 4, которая пересекает границу 8 отдельного участка 2 (на входе или выходе), может быть получен из этой системы.

После расчета расхода жидкости Q_i для каждой магистральной трубы 4, 33, пересекающей границу 8 отдельного участка 2, совокупный расход может быть получен путем суммирования величин расхода жидкости Q_i для каждой магистральной трубы 4, 33.

На ФИГ. 5 показан предпочтительный вариант реализации ключевой точки измерения 14, в котором датчик давления 16 и расходомер 17 находятся в разных местах. Расходомер 17 расположен ниже по потоку от датчика давления 16, в направлении от узла 12 к потребителю 18, то есть расходомер 17 находится между датчиком давления 16 и потребителем 18.

На ФИГ. 6 показана ключевая точка измерения 14 с несколькими расходомерами 17. Они установлены ниже по потоку от датчика давления 16. Такая ситуация возможна, когда датчик давления 16 установлен на распределительной трубе 13, которая подает жидкость конгломерату потребителей 18 (например, в многоквартирный дом), в то время как расходомеры 17 установлены в каждой квартире.

В данном случае для дальнейшего расчета расхода жидкости Q_i следует использовать суммарный расход всех потребителей 18, которые расположены ниже ключевой точки измерения.

В возможном варианте реализации сеть подачи жидкости - это сеть водоснабжения, а отдельный участок - это районная расходомерная зона (РРЗ).

На ФИГ. 7 показана система 3 6 для измерения расхода жидкости на отдельном участке 2 сети подачи, реализованная в соответствии с настоящим изобретением. Система 36, как было показано выше на ФИГ. 2, содержит множество ключевых точек измерения. По меньшей мере, две из них (14, 15) расположены на распределительной трубе 5, 13 соответственно и оборудованы датчиком давления 16 и расходомером 17.

Каждый датчик давления 16 позволяет измерять давление жидкости P_i в распределительной трубе 5, 13, на которой он установлен. Каждый расходомер 17 предназначен для измерения расхода жидкости q_i потребителями 18, которые гидравлически соединены с распределительной трубой 5, 13. Кроме того, по меньшей мере одна ключевая точка измерения 14 находится в пределах отдельного участка 2, и по меньшей мере одна ключевая точка измерения 15 расположена на дальнейшем участке 9 (то есть за пределами отдельного участка 2). Данные измерений считываются в ключевых точках 14, 15.

Система также содержит блок управления 35, который позволяет выполнять расчет расхода жидкости на основании данных измерений в соответствии с методикой по любому из пунктов 1-6 формулы изобретения.

Хотя для иллюстрации и подробного описания изобретения использовался предпочтительный вариант его реализации, оно не ограничивается приведенными примерами. Специалистами в данной области техники могут быть разработаны другие варианты осуществления, не выходящие за рамки авторских прав заявленного изобретения.

Ссылочные позиции

1 - сеть подачи жидкости

2 - отдельный участок, районная расходомерная зона

3 - нагнетательный элемент для создания давления, насосная станция

4, 33, 37, 38, 39 - магистральные трубы

5, 13, 40 - распределительные трубы

6 - клапан

7 - счетчик-расходомер

8 - граница отдельного участка

9 - дальнейший участок

10, 18 - потребитель

11, 12, 34 - граничный узел

14, 15, 28, 29, 31, 32 - ключевые точки измерения

16 - датчик давления

17 - расходомер

19 - 21 (шаги метода)

22, 23, 24, 26, 27, 30 - узлы

35 - блок управления

36 - система измерения расхода жидкости на отдельном участке сети подачи жидкости

Настоящее изобретение предлагает способ измерения расхода жидкости на отдельном участке сети подачи жидкости, где последняя представляет собой сеть из труб, подающих жидкость потребителям. Сеть из труб включает в себя по меньшей мере одну магистральную трубу для транспортировки жидкости от источника в сеть подачи, причем магистральная труба пересекает границу между отдельным участком и дальнейшим участком сети, расположенной за пределами отдельного участка, и множество распределительных труб, причем каждая из них предназначена для транспортировки жидкости из магистральной трубы к потребителю, гидравлически подключенному к распределительной трубе. На распределительных трубах находятся несколько ключевых точек измерения. Каждая из них включает датчик давления и расходомер. В данной конфигурации каждый датчик давления может измерять давление жидкости (P₁, Р₂) в распределительной трубе (5, 13), где он установлен. При этом каждый расходомер рассчитан на измерение расхода жидкости (q₁, q₂) потребителями, которые гидравлически соединены с распределительной трубой. В соответствии с предлагаемым способом, на этапах а) и b) измеряются давление жидкости (P₁, Р₂) и ее расход (q₁, q₂) по меньшей мере в двух выбранных ключевых точках измерения, которые расположены в пределах и за пределами отдельного участка. При измерении давления (P₁, Р₂) и расхода (q₁, q₂) в данных выбранных контрольных точках расход жидкости в магистральной трубе (Q_i), которая пересекает границу отдельного участка, вычисляется на этапе с) данного метода. Технический результат - возможность измерения величины расхода жидкости в магистральной трубе без наличия счетчика-расходомера, установленного на ней. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ измерения расхода жидкости (Q_i) по меньшей мере в одной магистральной трубе (4) на отдельном участке (2) сети подачи жидкости (1) с помощью датчиков давления и расходомеров, установленных на распределительных трубах,

причем сеть подачи жидкости (1) содержит сеть труб для доставки жидкости потребителям (18), при этом сеть труб включает в себя

по меньшей мере одну магистральную трубу (4) для транспортировки жидкости из источника в сеть подачи жидкости (1), причем магистральная труба (4) пересекает границу (8) между отдельным участком (2) и дальнейшим участком (9) сети подачи жидкости (1), а также

множество распределительных труб (5, 13), каждая из которых предназначена для транспортировки жидкости из магистральной трубы (4) потребителю (18), гидравлически соединенному с распределительной трубой (5, 13), а также

множество узлов, которые являются соединениями по меньшей мере двух труб, причем два узла, расположенные на одной и той же магистральной трубе (4) по разные стороны границы (8) без каких-либо дополнительных узлов между ними, являются граничными узлами (11, 12);

множество ключевых точек измерения (14, 15), каждая из которых расположена на распределительной трубе (5, 13) и снабжена датчиком давления (16) и расходомером (17), где

каждый датчик давления (16) позволяет измерять давление жидкости (P₁, Р₂) в распределительной трубе (5, 13), на которой он установлен;

каждый расходомер (17) предназначен для измерения расхода жидкости (q₁, q₂) потребителями (18), гидравлически соединенными с распределительной трубой (5, 13), на которой он установлен,

способ включает следующие шаги:

a) измерение давления (Р₁) и расхода (q₁) жидкости по меньшей мере в одной первой выбранной ключевой точке измерения (14), которая расположена в пределах отдельного участка (2),

b) измерение давления (Р₂) и расхода (q₂) жидкости по меньшей мере в одной второй выбранной ключевой точке измерения (15), расположенной в пределах дальнейшего участка (9),

c) расчет расхода жидкости (Q_i) на основании давления (P₁, Р₂) и расхода (g₁, g₂), измеренных в выбранных ключевых точках (19, 20).

2. Способ по п. 1, в котором на этапе с) расход жидкости (Q_i) рассчитывают по формуле:

где

Q_i - расход жидкости по меньшей мере в одной магистральной трубе (4), которая пересекает границу (8) отдельного участка (2);

ΔР^Р - перепад давления между граничными узлами (11, 12);

R - эквивалентное гидравлическое сопротивление магистральной трубы (4), которая пересекает границу (8) отдельного участка (2);

R₁, R₂ - эквивалентные гидравлические сопротивления распределительных труб (17, 5), на которых находятся выбранные ключевые точки измерения (14, 15);

Р₁, Р₂ - давления жидкости в распределительных трубах (17, 5), измеренные датчиками давления (16), которые установлены в выбранных ключевых точках измерения (14, 15);

q₁, q₂ - расход жидкости в выбранных ключевых точках измерения (14, 15), определенный с помощью расходомеров (17);

γ - экспоненциальный параметр расхода.

3. Способ по п. 1, в котором

на этапе а) для измерений выбирается по меньшей мере одна первая ключевая точка измерения в пределах отдельного участка (2), при этом такие первые ключевые точки (14) расположены на распределительных трубах (13), гидравлически связанных с граничным узлом (12), который находится в пределах отдельного участка (2),

при этом на этапе а) выбираются и используются только такие первые ключевые точки измерения, которые расположены рядом с граничным узлом (12) в пределах отдельного участка (2),

на этапе b) для измерений выбирается по меньшей мере одна вторая ключевая точка за пределами отдельного участка (2), при этом такие выбранные вторые точки (15) расположены на распределительных трубах (5), гидравлически соединенных с граничным узлом (11), который находится за пределами отдельного участка (2),

где на этапе b) выбираются и используются только такие вторые ключевые точки измерения, которые расположены рядом с граничным узлом (11) в пределах дальнейшего участка (9).

4. Способ по любому из пп. 1-3,

в котором каждая ключевая точка измерения (14, 15) находится на распределительной трубе (5, 13) и снабжена датчиком давления (16) и расходомером (17),

при этом датчик давления (16) и расходомер (17) расположены в разных местах распределительной трубы таким образом, что расходомер (17) расположен ниже по потоку от датчика давления (16).

5. Способ по п. 4, в котором ключевая точка измерения оснащена множеством расходомеров (17), расположенных ниже по потоку от датчика давления (16), при этом расход жидкости (q₁, q₂) в ключевой точке измерения (14, 15) представляет собой суммарное потребление жидкости, зафиксированное с помощью множества расходомеров (17).

6. Способ по любому из пп. 1-5, в котором сеть подачи жидкости - это сеть водоснабжения, а отдельный участок - это районная расходомерная зона (РРЗ).

7. Система измерения расхода жидкости (Q_i) по меньшей мере в одной магистральной трубе (4) на отдельном участке (2) сети подачи жидкости (1) с помощью датчиков давления и расходомеров, установленных на распределительных трубах, причем сеть подачи жидкости (1) содержит сеть труб для доставки жидкости потребителям (18), которая включает в себя

по меньшей мере одну магистральную трубу (4) для транспортировки жидкости из источника в сеть подачи жидкости (1), причем эта магистральная труба (4) пересекает границу (8) между отдельным участком (2) и дальнейшим участком (9) сети подачи жидкости (1), и

множество распределительных труб (5, 13), каждая из которых предназначена для транспортировки жидкости из магистральной трубы (4) потребителю (18), гидравлически соединенному с распределительной трубой (5, 13), а также

множество узлов, которые являются соединениями по меньшей мере двух труб, причем два таких узла, расположенные на одной и той же магистральной трубе (4) по разные стороны границы (8) без каких-либо дополнительных узлов между ними, являются граничными узлами (11, 12);

система содержит

множество ключевых точек измерения (14, 15), расположенных на распределительных трубах (5, 13), причем каждая такая ключевая точка оснащена датчиком давления (16) и расходомером (17), где

каждый датчик давления (16) позволяет измерять давление жидкости (P₁, Р₂) в распределительной трубе (5, 13), на которой он установлен; а

каждый расходомер (17) используется для определения расхода жидкости (g₁, q₂) потребителями (18), которые гидравлически соединены распределительной трубой (5, 13),

где по меньшей мере одна ключевая точка измерения (14) находится в пределах отдельного участка (2), и по меньшей мере одна ключевая точка измерения (15) находится на дальнейшем участке (9), то есть за пределами отдельного участка (2), и

в ключевых точках измерения (14, 15) выполняется измерение давления (P₁, Р₂) и расхода (q₁, q₂) жидкости,

блок управления (35) позволяет выполнять расчет расхода жидкости (Q_i) на основании данных измерений о давлении (P₁, Р₂) и расходе (g₁, g₂) жидкости в ключевых точках (14, 15) в соответствии со способом по любому из пп. 1-6 формулы изобретения.